transportszynowy.pl

najobszerniejsze centrum wiedzy o transporcie szynowym po polsku

Tory i infrastruktura torowa > Rodzaje i budowa szyn

Tradycyjne kolejowe pojazdy szynowe poruszają się po torach składających się z dwóch szyn biegnących równolegle do siebie.
Jednak w raz z rozwojem kolei na świecie prowadzono eksperymenty mające na celu obniżenie do minimum kosztów budowy nawierzchni torowej. Efektem były próby eksploatacji torów jednoszynowych. Rozwiązanie to nie przyjęło się do eksploatacji z przyczyn technicznych. Mutacją idei jednej szyny stały się koleje magnetyczne poruszające się po jednej szynie - specjalnej prowadnicy. Dokładniej mówiąc na prowadnicy i w podwoziu wagonów zainstalowany jest zespół elektromagnesów. Pole elektromagnetyczne jakie powstaje pomiędzy tymi elementami powoduje, że wagony nie mają styku z prowadnicą - poruszają się minimalnie ponad prowadnicą.
Linie kolei magnetycznych bardzo często przebiegają na specjalnych podporach nośnych ponad ziemią, co powoduje że poruszają się w pełni bezkolizyjnie i z dużymi szybkościami (do 600 km/h).
Koleje magnetyczne można spotkać między innymi w Japonii, Chinach, Niemczech i Stanach Zjednoczonych.
Na poniższym rysunku przedstawiam ogólny schemat działania kolei magnetycznych.


Schemat kolei magnetycznej
a - podpora
b - elementy magnetyczne stabilizacji poprzecznej
c - elementy magenyczne prowadnicy i wagonu

Kliknij aby powiększyć   
Podpora z elementami elektromagnetycznymi


Kliknij aby powiększyć   
Cewki magnetyczne na podporze


Kliknij aby powiększyć   
Model kolejki magnetycznej (InnoTrans Berlin 2006)



W kolejach górskich natomiast oprócz 2 szyn jezdnych stosuje się często 3 szynę, która wykonana jest w postaci zębatki i służy jako podpora napędowa dla wagonów. Koło zębate umieszczone pod pojazdem napędzane przez jego zespół napędowy zazębia się z szyną zębatą, przez co kolejka górska może wjeżdżać na strome zbocza bez ryzyka utraty przyczepności.

Kliknij aby powiększyć   
Koło zębate w podwoziu kolejki górskiej


Kliknij aby powiększyć   
Zęby koła zazębione w trzeciej szynie


Kliknij aby powiększyć 
Szyna zębata w osi toru

Więcej informacji na temat kolei zębatej można znaleźć - tutaj.


Trzecia szyna lecz spełniająca zupełnie inną funkcję stosowana jest też w metrze i niektórych kolejach podmiejskich. Prowadzona jest ona równolegle do toru i służy do zaopatrywania pojazdów w energię elektryczną. Szyna prądowa jest odpowiednikiem sieci trakcyjnej napowietrznej. W wykonaniu i eksploatacji jest o wiele tańsza jednak może być stosowana tylko w miejscach niedostępnych dla osób postronnych, gdyż jej dotknięcie grozi śmiercią.
Dlatego trzecie szyny są stosowane głównie w kolejkach metra, gdyż tam pasażerowie nie mają dostępu do nawierzchni torowej.

Kliknij aby powiększyć   
Trzecia szyna wzdłuż toru


Kliknij aby powiększyć   
Powierzchnia ślizgowa


Najnowsze rozwiązania techniczne umożliwiły również zastosowanie naziemnej szyny zasilającej w komunikacji tramwajowej. We francuskim mieście Bordeaux przetarg na budowę i dostarczenie wagonów tramwajowych wygrał koncern ALSTOM. W przetargu zaznaczono, że w centrum miasta nie może być zastosowana napowietrzna sieć trakcyjna, gdyż wpływa ona niekorzystnie na wygląd zabytkowego otoczenia - wisząca "pajęczyna". Zespół konstruktorów z ALSTOMu opracował infrastrukturę zasilającą oraz wagony tramwajowe tak, że pojazd jadąc poza centrum miasta podnosi pantograf i odbiera energię elektryczną z sieci trakcyjnej napowietrznej. Natomiast gdy tramwaj wjeżdża do centrum miasta sieć jezdna zastąpiona zostaje szyną zasilającą, która znajduje się w przestrzeni międzytokowej toru. Pojazd pobiera wtedy energię za pośrednictwem specjalnego odbieraka prądu zainstalowanego w podwoziu.
I tu najciekawsza rzecz tego rozwiązania - jak taki system zasilania działa, że nie ma ryzyka porażenia przechodniów? ALSTOM rozwiązał ten problem następująco - szyna zasilająca podzielona jest na niezależne od siebie odcinki zasilania o wymiarze krótszym niż długość jednego wagonu tramwajowego. Przejeżdżający tramwaj powoduje automatyczne załączanie zasilania na odcinku szyny, który znajduje się pod wagonem. W ten sposób energia elektryczna jest dostępna tylko i wyłącznie pod podwoziem pojazdu tramwajowego.


Schemat zasilania z 3 szyny w mieście Bordeaux (tramwaj przykładowy)


Kliknij aby powiększyć   
Citadis 300 zasilany z 3 szyny - Bordeaux (opis na powiększniu)


Kliknij aby powiększyć   
Citadis 300 zasilany z sieci jezdnej napowietrznej - Bordeaux





Wracając jednak do opisu szyn jezdnych stosowanych w kolejach konwencjonalnych...

Szyna wykonana jest ze specjalnego stopu stali (najczęściej R260 i R350HT) i ma kształt zbliżony do profilu dwuteownika.


Szyna typu kolejowego (szerokostopowa)
a - główka
b - szyjka
c - stopka


W skład stali z której produkowane wchodzi oprócz żelaza również węgiel, mangan, krzem i w śladowych ilościach fosfor oraz siarka.
Szyny produkowane są w technologii walcowania ze wsadu wytwarzanego metodą ciągłego odlewania stali, w stanie po walcowaniu (surowe) lub z dodatkową obróbką cieplną materiału główki szyny.


Skład chemiczny i własności mechaniczne stali szynowej (źródło: PKP PLK SA)


Szyny przeznaczone do toru klasycznego (z łączeniami łubkowymi) wytwarzane są w wymiarach: 25m i 30m, natomiast szyny stosowane w torach bezstykowych (zgrzewanych lub spawanych termitowo) mają długości 25m, 27,5m i 30m.

Głównymi elementami szyn są główka, szyjka i stopa:

- główka - to część szyny, po której toczy się koło jezdne pojazdu szynowego. Ma ona odpowiedni profil odpowiadający profilowi obręczy koła jezdnego.

- szyjka - to część wsporcza szyny umożliwiająca jej kierunkowanie.

- stopa - to dolna część dolna szyny, która spoczywa na podkładach lub podbudowach i umożliwia przytwierdzenie szyny do nich.


Najpopularniejszymi typami szyn stosowanych na kolei to: szynyUIC60 (S60) i szynyS49 . Liczba przy symbolu oznacza przybliżoną wagę jednego metra bieżącego szyny.
Przykładowo: 1 metr szyny typu S49 waży 49,43kg.

a) Szyna UIC60 (S60):




Kliknij aby powiększyć   
Szyna typu kolejowego UIC60

Kliknij aby powiększyć         Kliknij aby powiększyć   
Oznaczenia (cechowanie wypukłe) na szynie UIC60 (opis na 1 powiększeniu)




b) Szyna S49:




Kliknij aby powiększyć   
Szyna typu kolejowego S49


Kliknij aby powiększyć     Kliknij aby powiększyć   
Oznaczenia (cechowanie wypukłe) na szynie S49




Główne oznaczenia (cechowanie) na szynach
Na szyjkach szyn stosuje się cechowanie informujące o danych technicznych szyny takich jak: identyfikacja producenta, gatunek stali i znak liniowy, ostatnie dwie cyfry roku produkcji i miesiąc produkcji oraz oznaczenie typu i profilu szyny. Cechowanie to musi być powtarzane co 4 metry długości szyny. Wykonywane jest jako walcowanie wypukłe o wysokości znaków od 20 do 25 mm i wypukłości od 0,8 do 1,5 mm.
Poza powyższymi oznaczeniami stosuje się również cechowanie wklęsłe wykonywane mechanicznie na gorąco (poprzez wyciskanie stemplem), również na szyjce szyny lecz po przeciwnej stronie znaków wypukłych. Przy szynach dłuższych niż 30 m oznaczenie te musi być zastosowane nie rzadziej niż co 20 metrów natomiast przy szynach standardowych rozmiarów czyli 25, 27,5 i 30 m zastosowane muszą być minimum dwa komplety znaków. Omawiane oznaczenia informują o: numerze wytopu, położeniu szyny w kęsisku oraz numeru żyły i położenia kęsiska w żyle. Litery i cyfry muszą mieć wysokość 16 mm, pochylenie 10 stopni i zaokrąglone krawędzie. Głębokość cechowania musi zawierać się w tolerancji od 0,5 do 1,5 mm.


Cechowanie szyny

Kliknij aby powiększyć   
Cechowanie wklęsłe (opis na powiększeniu)




Schemat pochylenia szyn typu kolejowego w torze (1:40)

Szyny na skutek przejazdów taboru zużywają i uszkadzają się. Następuje to na skutek tarcia oraz uderzeń toczących się po nich kół. Dochodzi do zniekształceń ciernych, plastycznych w formie nadmiarów lub ubytków jak również zmęczeniowych. Oczywiście zużywają się również koła. Z punktu widzenia kosztów eksploatacji bardziej podatne na zużycia powinny być koła, gdyż jest je znacząco łatwiej wymienić. Wymiana szyn wiąże się często z bardzo kosztownym i czasochłonnym remontem. Reprofilacja lub wymiana kół realizowana jest w zakresie normalnej obsługi technicznej taboru. Więcej informacji o kołach, zestawach kołowych i ich współpracy z torem oraz utrzymaniu można znaleźć - tutaj.
Poniżej zamieszczam zdjęcia przykładowych zużyć szyn. Popularnym i często występującym zużyciem jest tak zwane zużycie faliste główki szyny, które powoduje, że powierzchnia toczna główki szyny kształtuje się na wzór fali jako naprzemiennie występujące zagłębienia i grzbiety. Takie zużycie jest źródłem drgań i w efekcie zwiększonego hałasu. Zużycia faliste można spotkać w miejscach, gdzie tramwaje się rozpędzają, czy też na długich odcinkach prostych. Przyjmuje się, że najczęściej na powstawanie zużycia falistego ma wpływ poślizg wzdłużny kół względem szyn oraz na przykład nieprawidłowo wykonana zabudowa toru (np. zbyt sprężyste podłoże). Zużycie faliste można eliminować przez bieżące szlifowanie szyn, które powoduje, że powierzchnie toczne szyn zostają wygładzone. Tym samym tramwaje poruszają się ciszej.


Zużycie faliste szyny (widoczna fala)


Krążki szlifierskie w nowoczesnej szlifierce torowej

Należy również pamiętać, że szyny mogą mieć wewnętrzne wady materiałowe (nie powinny występować dzięki odpowiedniej kontroli jakości produkcji), które docelowo doprowadzają do ich uszkodzeń. Poniżej przykład szyny, w której nastąpiło odwarstwienie się materiału.


Odwarstwienie materiału w główce szyny